用于三电平逆变器的开关支路及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于三电平逆变器的开关支路，以及用于控制三电平逆变器的开关支路的方法。
【背景技术】
[0002]三电平转换器，比如逆变器和/或整流器，是具有三个直流极的转换器。除了直流正极和直流负极以外，三电平转换器还具有直流中性极。可以使用三电平转换器拓扑，以便例如获得较高直流电压电平，并且减少对输出电流滤波的需要。在下述文献中给出了三电平中性点钳位式转换器的不例:T.BrUckner、S.Bernet和H.Gilldner于2005年6月的IEEE工业电子学期刊的第 52 卷第 3 号的“The Active MC Converter and Its Loss-BalancingControl”。具体地，给出了三电平中性点钳位式(NPC)转换器和有源中性点钳位式(ANPC)转换器的示例。
[0003]图1示出了三电平NPC逆变器的主电路的示例。该示例性三电平逆变器为三相逆变器，并且因此包括三个开关支路101、102、103，每个开关支路包括六个二极管和四个可控半导体开关。在逆变器的操作期间，可以根据要使用的调制方案来控制该可控半导体开关。示例性逆变器还包括用于将逆变器与如DC中间电路的DC电源(未示出)相连接的直流正极P、直流负极N和直流中性极M。示例性逆变器还包括用于对例如三相电力系统(未示出)进行供给的三个交流极AC1、AC2、AC3。
[0004]与上述解决方案相关的可能问题为:尤其当三电平逆变器的功率等级提高时，在三电平逆变器中形成的换向回路会变得不理想，并且可能产生的杂散电感会在电流在逆变器的部件之间进行换向期间生成有害的电压尖峰。对此的一个具体示例为在下述情况时:三电平逆变器的开关支路101、102、103的交流极AC1、AC2、AC3的电压极性分别要从正变成负，或从负变成正，而电流从开关支路的上半部分换向至下半部分，或者从开关支路的下半部分换向至上半部分。在此情形下可能发生有害的电压尖峰。当调制电压和输出交流电流具有相反极性时，可能发生类似的有害换向。对于该问题的一个解决方案将是使用钳位电路或缓冲电路来抑制这样的电压尖峰。然而，这样的电路可能是昂贵的，并且在与半导体开关的标称电流相比较时，操作范围仍会受限。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种设备和方法，以解决或至少缓解上述问题。本发明的目的通过用于三电平逆变器的开关支路、逆变器和方法来实现，其中，开关支路、逆变器和方法的特征在于独立权利要求中所述的。在从属权利要求中描述了本发明的优选实施方式。
[0006]本发明基于如下的思想:向开关支路的上半部分和下半部分提供额外的开关连接，使得电流能够在所述开关支路的半部分内进行换向，而不管电流极性如何。
[0007]本发明的解决方案提供了如下优点:昂贵且有损耗的钳位电路或缓冲电路不再被需要，或者他们可以被减少，以便甚至在较高功率等级下对在电流在开关支路的半部分之间换向期间的电压尖峰进行抑制。此外，主电路母线设计变得更容易，因为典型的换向不发生在上半部分模块和下半部分模块之间。
【附图说明】
[0008]现在，将参照附图并结合优选实施方式来更详细地说明本发明，在附图中:
[0009]图1示出了根据实施方式的三相三电平逆变器的主电路的电路图；
[0010]图2示出了根据实施方式的三电平逆变器的开关支路的电路图；
[0011 ]图3示出了半导体模块结构的示例；
[0012]图4示出了半导体模块结构的示例；
[0013]图5示出了根据实施方式的三电平逆变器的开关支路的电路图和物理布局；以及
[0014]图6示出了根据实施方式的三相三电平逆变器的主电路的电路图和物理布局。
【具体实施方式】
[0015]本发明的应用不限于任何特定的系统，而是可应用于各种电气系统。此外，本发明的使用不限于利用特定基频的任何系统或任何特定电压电平。
[0016]图2示出了根据实施方式的用于三电平逆变器的开关支路的电路图。应当注意，该图仅呈现了理解本发明所必需的元件。该开关支路可以是如三相逆变器的多相逆变器的一个开关支路，或者是如单相逆变器的开关支路。图2的开关支路包括交流极AC、直流正极P、直流负极N和直流中性极M。此外，该开关支路包括串联地连接在开关支路的直流正极P与交流极AC之间的第一可控半导体开关S1和第二可控半导体开关S2，其中第一可控半导体开关S1连接至直流正极P。第一二极管D1与第一可控半导体开关S1并联地连接，而第二二极管D2与第二可控半导体开关S2并联地连接。此外，该开关支路包括串联地连接在开关支路的直流负极N与交流极AC之间的第三可控半导体开关S3和第四可控半导体开关S4，其中第四可控半导体开关S4连接至直流负极N。第三二极管D3与第三可控半导体开关S3并联地连接，而第四二极管D4与第四可控半导体开关S4并联地连接。此外，该开关支路包括第五二极管D5和第六二极管D6，该第五二极管D5连接在直流中性极Μ与处于第一可控半导体开关S1和第二可控半导体开关S2之间的连接点之间，而该第六二极管D6连接在直流中性极Μ与处于第三可控半导体开关S3和第四可控半导体开关S4之间的连接点之间。此外，开关支路包括串联地连接在开关支路的直流中性极Μ与交流极AC之间的第五可控半导体开关S5和第七二极管D7，并且开关支路包括串联地连接在开关支路的直流中性极Μ与交流极AC之间的第六可控半导体开关S6和第八二极管D8。因此，图2的开关支路的上半部分包括第一可控半导体开关S1、第二可控半导体开关S2、第五可控半导体开关S5、第一二极管D1、第二二极管D2、第五二极管D5和第七二极管D7。因此，图2的开关支路的下半部分包括第三可控半导体开关S3、第四可控半导体开关S4、第六可控半导体开关S6、第三二极管D3、第四二极管D4、第六二极管D6和第八二极管D8。可控半导体开关S1至S6可以是IGBT (绝缘栅双极晶体管)或FET (场效应晶体管)或任何对应的可控半导体开关。图2还示出了控制布置30，可以通过或经由该控制布置30来对开关S1至S6进行控制。对半导体开关S1至S6的控制可以涉及一个或更多个额外的控制部件(未示出)。
[0017]可以将开关支路的半导体部件中的两个或更多个设置在半导体模块中。在本文中，术语“半导体模块”通常指如下模块:该模块包括布置在公共基板上并且以适当的方式相互电连接的两个或更多个半导体元件。
[0018]根据实施方式，如图2的示例所示，第一可控半导体开关S1、第二可控半导体开关S2、第五可控半导体开关S5、第一二极管D1、第二二极管D2、第五二极管D5和第七二极管D7驻留在第一开关支路专用半导体模块10中。此外，第三可控半导体开关S3、第四可控半导体开关S4、第六可控半导体开关S6、第三二极管D3、第四二极管D4、第六二极管D6和第八二极管D8驻留在第二开关支路专用半导体模块20中。图